工程材料大作业

工程材料及应用玻璃钢科技论文班级：过程装备与控制工程姓名：李云清学号：413030701162016年5月摘要：像通常我们了解的玻璃钢，其实就是一种玻璃纤维增强树脂基复合材料。玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维为增强剂，以树脂为粘结剂（基体）而制成的，俗称玻璃钢。热塑性玻璃钢具有较高的力学、介电性、耐腐蚀性、耐热性和抗老化性能，工艺性能也好。与基体材料相比，强度和疲劳性能可提高2~3倍，冲击韧度提高1~4倍，蠕变能力提高2~5倍，达到或超过了某些金属的强度。由于有机高分子材料在性能、成型方法及灵活的可设计性等方面的优势，使以其为基体的高分子基复合材料发展非常迅速，目前在军用、民用上获得了广泛的应用。关键字：复合材料，玻璃纤维增强复合材料，树脂基，玻璃钢引言：复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。复合材料是指由两种或两种以上不同性质、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能，可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此联系，从而获得新的优越性能。树脂基复合材料具有许多优异性能，尤其是非常适合在航天器结构上使用。随着航天器设计要求的不断提高，复合材料及其工艺技术的发展和成熟，目前复合材料已逐步成为航天器结构的主要材料，如航天器的主承载结构、太阳电池阵列结构、天线结构及其他有关部件均广泛采用了复合材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化和高新技术发展的先导。在材料这个大家庭中，金属材料、无机（陶瓷）材料、有机高分子材料是大家比较熟识的，而复合材料，则是这个家族中一颗璀璨的明珠。1、性能特点：1）比强度和比模量高在复合材料中，由于增强相多数是强度很高的纤维，而且组成材料密度较小，这对宇航，交通运输工具，要求在保证性能的前提下，减轻自重具有重大的意义。密度比玻璃纤维更小的碳纤维和有机纤维增强树脂基复合材料的密度就更低，这个特性成就了树脂基复合材料的高比强度、比模量，使其具有优异的轻质、高强的特性。2）减震性好当结构所受外力的频率与结构的自振频率相同时，将产生共振，容易造成灾难性的事故。而结构的自振频率不仅与结构本身的形状有关，还与材料比模量的平方根成正比，因而纤维增强复合材料的自振频率较高，可以避免共振此外，纤维与基体的界面具有吸振能力，所以具有很高的阻尼作用。3）可设计性树脂基复合材料具有非常优异的可设计性，简单地说，就是树脂基复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品的设计。如对于结构件，可以根据受力情况合理布置增强材料，节约材料、减轻质量；对于耐腐蚀性能要求的产品，选择耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料；对于介电性能、耐热性能等要求都可以通过选择合适的原材料来满足。4）断裂安全性高纤维增强复合材料截面上分布着相互隔离的细纤维，当其受力发生过载时，其中部分纤维会发生断裂，但随即进行应力的重新分配，由未断纤维将其载荷承担起来，不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而发生脆断，因而复合材料的工作安全性高。5）工艺性纤维增强的树脂基复合材料具有突出的成型工艺性，成型工艺方法众多，目前已经应用的成型工艺方法有几十种，而新的方法还在发展中，能满足各种类型制品的制造需要，尤其特别适合大型、形状复杂、数量少的制品的制造。除了上述几种特性外，复合材料还有很多的性能。但它也有缺点，如断裂神长率小，抗冲击性较差，横向强度较低，成本较高。2、成分以及分类：复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维为增强剂，以树脂为粘结剂（基体）而制成的，俗称玻璃钢。以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为粘结剂制成的热塑性玻璃钢具有较高的力学、介电、耐热性和抗老化性能，工艺性能也好。以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、聚酯树脂等热固性树脂为粘结剂制成的热固性玻璃钢具有密度小、强度高、介电性、耐蚀性及成型工艺好的优点。3、材料的用途：树脂基复合材料具有许多优异性能，尤其是非常适合在航天器结构上使用。随着航天器设计要求的不断提高，复合材料及其工艺技术的发展和成熟，目前复合材料已逐步成为航天器结构的主要材料，在人们对复合材料的性质了解还不够深入时，树脂基复合材料主要作为次承力构件应用到航空器中。随着生产工艺的发展，材料性能的逐步提高，复合材料在航空器中的地位越来越重要。怎样减少飞机结构重量以提高飞机的装载效率是百年来飞机发展所一直追求的目标。从20世纪初的木、布结构，到30年代轻合金的全金属结构，30年代－60年代虽然金属材料的性能有很大提高，随后，具有更高比强度、比刚度，同时兼具更高剪切强度、剪切模量以及耐热性的第二代现代复合材料应运而生，主要以硼纤维、碳纤维、芳纶纤维为增强材料，以聚酰亚胺等高性能树脂为基体，同时包括铝、镁、钛等金属基体，金属间化合物，碳化硅、氮化硅等陶瓷基体。而性能更高的氧化铝纤维、碳化硅纤维、晶须等增强材料的出现，更引发了具有多功能、高韧性、耐热的第三代高性能复合材料的发展。然而，玻璃纤维增强复合材料生产和使用中也存在着一些问题，目前由于我国玻璃钢的开发应用时间短，技术水平低，市场竞争激烈。生产设备和产品存在如下几点问题：1、使用金属或硬质缠绕丝，会勒断外层玻璃纤维，降低性能。2、无粉尘吸排装置，给操作工身体健康带来危害。（粉尘是玻璃纤维和化学品的混合物对人体呼吸系统有极大的危害）。3、定尺切割为接触式开关，需一工人操作，增加人工成本。4、为降低材料成本添加大量填料，抗剪切力下降。4、总结：也许你想象不到，树脂基复合材料的历史可以追溯到几千年前。最早的树脂基复合材料是古人用干草拌黄泥制作墙体和地面的纤维复合材料；而那承载着“卧薪尝胆”、“西施浣纱”等悠远故事的越王勾践剑，也是一种包层金属复合材料；至今尚存留着无穷奥秘的古埃及木乃伊的包料竟是一种缠绕工艺复合材料；而传统的千层底布鞋，乃是一种三维编织复合材料。随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。参考文献：(1)、戈晓岚等.工程材料.东南大学出版社，2010.6(2)、师昌绪.高技术新材料的现状与展望.机械工程材料，1994，18（1）(3)、师昌绪等，高技术现状与发展趋势.北京：科学出版社，1993(4)、廖英强，苏建河，柯善良等.ANSYS在复合材料仿真分析中的应用[J].玻璃纤维,2006,4:21-26(5)、李涛，樊庆文.ANSYS在复合材料应力分析中的应用[J].机械,2006,12(33):47-48.（6）、陈搏.发展中的我国玻璃钢工业.玻璃钢/复合材料,1997，（7）、15～193上海师范学院等编.化工基础（上）．北京：高等出版社，1987（8）、玻璃钢／复合材料参考,1998，（1）：14（9）、翁祖祺等编.中国玻璃钢工业大全.北京：国防工业出版社，1992（10）、博国栋.我国玻璃钢工业发展回顾和问题探讨.玻璃钢/复合材料,1992，（4）：26～32